1、引言
　　
　　目前，國內大型的造紙廠對紙張定量水分的控制系統的策略是進口關鍵單元，如定量水分傳感器和變送器、掃描架、控制器、關鍵的機械部件等，控制部分用國內的技術及裝置，組成完整的品控生產線，即滿足了控制要求，而且節省了半數的投資。在本項目控制系統中，選用工控計算機作為操作站和工程師站，選用西門子s7-300PLC作為主站和從站，網絡通訊采用以太網和Profibus現場總線。控制策略采用智能預測控制。
　　
　　2、系統組成
　　
　　掃描架帶動定量和水分變送器在線檢測，檢測信號在計算機內通過數字濾波計算出定量水分的平均值，用定量閥控制紙張的絕干定量，用烘缸蒸汽壓力給定值控制紙業水分，此過程是通過目標值和反饋控制系統來實現的。系統主要組成部分如圖1所示。
　　
　　2.1掃描架部分
　　
　　掃描架選用impact公司的b/m傳感器變送器及相應的o形掃描架系統掃描架和定量水分信號通過tcp/ip協議和os站交換數據。impact公司的掃描架系統可以方便的對定量水分控制進行擴充，如檢測和控制紙張的厚度、灰分、白度、平滑度、橫向分布等。此控制系統引進傳感器型號如下：o型掃描架1880mm（1880mmadvantagepluso-framescanner）；單邊掃描架1880mm（1880mmsinglesidedframe）；定量傳感器－钷147（basicweightsensor-pm147）；水分傳感器-鎢136（basicmoisturesensor-w136）；輕觸式厚度傳感器（lighttouchair-bearingcalipersenor）。
　　
　　2.2fcs（現場控制站）功能設計
　　
　　（1）與變送器、執行器一起構成具有自動調節能力的控制站。
　　
　　（2）對現場送來的信號進行處理轉換，變成計算機能處理的信號。
　　
　　（3）把輸出信號轉化成現場執行器的控制信號。
　　
　　（4）具有相應的擴展輸入/輸出（i/o）模塊，可完成輸入/輸出處理。
　　
　　（5）具有與監控操作站（os/oe）進行數據通訊的接口。
　　
　　（6）具備一個主控制板，能執行設定好的控制算法。
　　
　　（7）通過profibus-dp現場總線實現與從站和os進行數據通信。考慮到系統性能和性價比，可編程控制器采用西門子s7-300plc。其特點是：模塊化、易于擴展、通信穩定、運行可靠。s7具有開放性的網絡結構適應于windowsnt/2000和windowsxp標準操作系統支持dde/opc，可通過以太網與企業上位信息管理系統連為一體。通過profibus-dp現場總線實現i/o與控制器功能處理分散，可進行遠程擴展，進一步提高了系統的可靠性和可操作性。可以通過計算機或觸摸屏設定各個控制及連鎖邏輯控制回路的控制周期及掃描周期。plc與os站的通訊接口模塊采用cp340。
　　
　　2.3硬件配置
　　
　　根據控制系統的要求，采用s7-300系列的plc來進行組態。對于控制系統的plc，首先，由于控制系統的i/o點數（本系統為110個點）不多，程序量不大，通過經驗公式計算所需存儲器容量（存儲器容量（kb）=（1.1～1.25）×（di×10+do×5+ai/a0×100）/1024），根據存儲器容量大小選擇主控模塊為cpu314即可。
　　
　　供電模塊：10a的ps307；中央處理器（cpu）：選用cpu314；模擬信號輸入：所有的現場參數，由各自的變送器進行檢測，通過相應的變送器轉換為4～20ma的標準信號與plc系統的模擬量輸入通道連接。選用模塊為sm331/ai8（2塊）；開關量輸入：主要是一些控制按鈕、急停按鈕、限位開關、行程開關等，選用sm321di16（2塊）；模擬信號輸出4～20ma的調節信號通過d/a模塊輸出，完成各回路中的調節器的控制。閥門采用氣動調節閥，通過電氣閥門定位器接受4～20ma電流調節信號。選用模塊為sm332/ao8（2塊）；開關信號輸出：包括一些運行狀態顯示、報警等。選用模塊為sm322/do32（1塊）；通訊模塊：選用r485接口的cp340（1塊）。為了保證控制系統運行可靠穩定，在信號的采集和控制通道中充分采用系統隔離技術。所有現場傳感器信號通過隔離器或配電器進入plc的模擬信號采集通道，所有現場的開關信號及閥門的控制信號采用中間繼電器隔離。
　　
　　2.4系統控制回路
　　
　　（1）上漿濃度控制回路
　　
　　影響定量的只要因素是進入沖漿泵的紙漿濃度和流量，濃度通過濃度的自動控制系統來調節。
　　
　　（2）上漿流量控制回路
　　
　　將流量計和相應的控制閥安裝在沖漿泵的入口的管道上，實現對上漿流量的控制。根據一定的定量控制算法，改變流量設計值的大小。定量閥采用btg公司的，流量計采用橫河ae215mg-as2-pnj-ain/br/sct。
　　
　　（3）蒸汽壓力控制回路
　　
　　本系統為三段供汽方式的8缸紙機，采用分段控制方式。分別對施膠前烘缸組（2缸）和施膠后烘缸組（6缸）壓力進行順序控制和定值控制，實現紙張水分的控制。
　　
　　（4）定量水分測控系統
　　
　　定量和水分儀的探頭安裝在o型掃描架上，隨掃描架的來回移動對紙張連續掃描檢測，檢測信號通過網絡傳輸給計算機進行處理。并在計算機屏幕上實時顯示定量水分橫向分布圖和和縱向趨勢圖。與此同時計算機通過檢測值和設定值之間的偏差根據一定的控制算法發出控制信號，分別調節定量閥和烘缸蒸汽閥，使定量水分保持相對穩定。
　　
　　（5）紙機車速顯示和調節
　　
　　從紙機傳動部變頻器和增量式編碼器組成車速的調節系統，并把車速信號傳輸給計算機顯示，通過檢測信號和設定信號之間的偏差發出調節控制信號，保持車速穩定。
　　
　　2.5os站（操作員站）的功能設計
　　
　　（1）組態設計、仿真調試、監控和控制操作。
　　
　　（2）與現場控制站連接通訊，實現系統的分散控制。
　　
　　（3）完善的系統應用軟件，進行工控軟件的二次開發，提供人機監控操作界面。為保證控制系統運行穩定，在信號的采集和控制通道采用系統隔離技術，傳感器信號通過隔離器進入PLC的模擬信號采集模塊，所有邏輯信號和閥門控制信號采用施奈德中間繼電器隔離，保證控制系統與現場儀表的*隔離。該控制系統所有的壓力、流量、液位、濃度、溫度等信號以動態的形式在計算機上顯示。系統的各個控制參數、工藝參數及生成的數據庫自動的存貯在計算機中，便于實時查詢。
　　
　　3、系統控制策略
　　
　　紙張生產過程中，定量和灰分的調節是一個大時滯、大慣性、強耦合、非線性的復雜控制過程。傳統的pid很難對其進行有效的控制。本系統利用智能控制策略結合pid控制很好的解決了紙張定量和水分的控制。
　　
　　3.1系統功能
　　
　　系統具有定量和水分的測量及控制，橫向定量曲線的輸出，絕干漿流量控制。plc根據定量水分的設定值和檢測值之間的偏差，按一定的控制規律發出控制信號，分別調節定量閥的開度和和烘缸蒸汽壓力的大小，保持定量水分的穩定。
　　
　　（1）調漿箱上漿濃度的自動檢測和控制，克服了中濃漿濃度的變化對紙張定量的影響。
　　
　　（2）烘干部烘缸汽壓的自動檢測和調整，克服了外來汽壓的波動對紙張水分的影響。
　　
　　（3）crt顯示紙張定量水分的工況數據歷史記錄。根據紙張定量水分的設定值和測量值之間的差值，控制漿流閥的大小和及蒸汽壓力閥的動作，保正產出高質量的紙張。
　　
　　（4）根據工藝，通過電腦鍵盤設定控制參數和設定值。
　　
　　（5）系統操作規范有手動和自動兩種方式，可根據需要自動切換。
　　
　　紙張定量的控制特性表現為滯后時間長、時間常數較短、測量值離散度較大。紙張水分的特性表現為時間常數大、易受干擾。在紙張生產過程中定量水分的控制存在著強耦合特性，因此要想達到理想的控制效果，就必須對定量水分的控制回路進行解耦，把紙張定量水分的控制回路分離開消除它們之間的相互影響。控制方案如圖2所示。控制軟件包括：縱向定量水分控制軟件，絕干漿控制軟件，烘缸控制軟件。　　
　　3.3軟件設計
　　
　　（1）設計平臺：控制系統在windowsxp環境下運行，編程軟件為stpe7v5.4，組態軟件用wincc。為方便操作人員操作，所有微機操作都是用鼠標，畫面切換、各參數設定都采用鼠標點擊畫面上的按鈕來實現，所有的操作界面都使用漢語。畫面直觀、易懂、操作方便。系統用Profibus總線與下位s7-300PLC進行數據通訊，下位s7-300通過cp340通訊模塊與上位機進行數據交換，使系統的軟件和硬件組成一個完整的系統，保證系統穩定運行。（2）人機界面：操作站上的人機界面有以下畫面組成。
　　
　　各參數（紙張定量、水分、厚度、灰分等）信號橫向顯示，設5s畫面更新一次；
　　
　　各參數（定量、水分、厚度、車速、流量、濃度、壓力閥門開度等）歷史趨勢記錄，設2秒鐘更新周期。
　　
　　實時、動態、直觀的顯示各控制點的工藝流程。
　　
　　報警畫面：操作員用鼠標點擊報警按鈕，就會切換到報警畫面，操作員可直觀的看到報警信號的工位號、報警類型、注釋、報警時間和當前值（實時更新），點擊報警項就會切換到報警工號對應的操作界面，操作員可進行相應的修改。所有的報警可通過復位按鈕進行復位。
　　
　　歷史報告畫面：可以查詢操作人員的操作記錄和操作的詳細時間，包括程控系統的啟停、各參修改前和修改后的值等控制參數和工況參數設定界面。可存貯1年的歷史數據庫。
　　
　　4、結束語
　　
　　目前國內紙張質量控制系統通過進口國外關鍵設備結合國內的技術和裝置可以達到國外成套設備的控制精度與控制效率。從而開創了一種性能/價格比*的qcs模式。